コラム16： 力学的エネルギー保存則

位置エネルギー（ポテンシャルエネルギー）と運動エネルギーの関係を考えるには，ジェットコースターを考えるとわかりやすいと思います。ジェットコースターは高いところにあるときには，より大きな位置エネルギーを持っています。それが低い所に落ちていくとスピード（速さ）が増して，運動エネルギーに変わります。低いところから，高いところに上がることができるのは，運動エネルギーが位置エネルギーに変わるからです。

ジェットコースターでは，高さhのところにある時には，位置エネルギーは高さと質量の積に比例した値を持ちます（式で書くとmghとなります。mはジェットコースターの質量，hは高さです。gは重力加速度と呼ばれる定数です）。ジェットコースターが下に降りてくると，速さが増します。速さを持っているものもエネルギーを持っています。速く動く「勢い」で，坂を駆け上ることができるからです。この「勢い」はエネルギーの一種で「運動エネルギー」といいます。運動エネルギーは質量と速さの二乗に比例します（式で表すと(1/2)mv²となります。ここで，vはジェットコースターの速さです）。この関係を図16.1に示しました。

力学的エネルギー保存則は，力学の基本法則であるニュートンの運動方程式から数学的に導くことができます。

　ちなみに「エネルギー」という言葉は， 1807年にヤング（Thomas Young, 1773~1829）が著書の中で述べたのが最初です。「エネルギー」の語源はギリシャ語のἐνέργειαです。これは，ἐνεργός（energos）に由来します。「仕事」を意味するἔργονの前に前置詞ἐνをつけたものです。仕事をする能力を意味する言葉なのです。運動エネルギー（kinetic energy）は1850年頃にウィリアム・トムソン（William Thomson, 1824~1907）によって，位置エネルギー（potential energy）は1853年ウィリアム・ランキン（William John Macquorn Rankine, 1820~1872）によって定義されました。これらの言葉が定義されたのは，熱力学第一法則の確立期になってからなのです。

関連動画: 「力学的エネルギー」（2分50秒）

関連サイト: 「第2回 熱と仕事とエネルギー」